宽温域轻质NiTiSi形状记忆合金阻尼材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了宽温域轻质NiTiSi形状记忆合金阻尼材料及其制备方法与应用。该材料是利用电弧熔炼制备Ti

【技术实现步骤摘要】
宽温域轻质NiTiSi形状记忆合金阻尼材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种阻尼材料，特别是涉及一种宽温域多孔NiTiSi形状记忆合金高阻尼材料及其制备方法，属于阻尼材料和多孔金属材料领域。

技术介绍

[0002]随着社会发展进程的加速，武器装备和机械设备等发展方向趋于高速、自动化和高适应性(强耐候性，耐高低温性等)，另外交通运输领域也提出了高速、高耐候性、节能和环境友好的发展需求。高速安全运行带来的是这些领域对减震降噪和降低能耗的迫切需求，而高阻尼金属材料由于其具有强度高、减震降噪、功能一体化等特性受到业界的重点关注。其中，NiTi基形状记忆合金不仅具有高阻尼特性，而且能够在较宽温范围的重复使用，具有优良力学性能和超弹性、耐腐蚀性和耐磨性等优异的耐候性，因而作为高阻尼金属材料有着极大的应用价值。
[0003]然而，NiTi基形状记忆合金在高温下(通常大于100℃)阻尼性能极差(小于0.01)、密度和价格较高等缺点阻碍其广泛应用。NiTi形状记忆合金在相变区间的高阻尼(甚至可高达0.1～0.2以上)主要是变温形成大量奥氏体/马氏体界面的滞弹性运动消耗能量导致，但对于恒定某一温度使用时，其阻尼性能下降明显，这区间的高阻尼性能不具有实用性。当NiTi合金以低温马氏体相存在时，其本征阻尼大约在0.02
‑
0.03附近，主要是由马氏体相变过程中产生的大量界面(不同变体间界面、孪晶界面等)和层错等缺陷的滞弹性运动来消耗能量；而高温时是以奥氏体形式存在，其本征阻尼极低，约为0.005，这主要由位错、空位等晶格缺陷来耗能导致。奥氏体缺少界面，其本征阻尼处于一个较低的水平，这对于形状记忆合金在高温下的应用极为不利。因此，研究人员采用多种方法改善其高温下的阻尼性能，诸如引入第二相增加相界面阻尼、引入孔隙增加表面阻尼等。制备多孔NiTi基复合材料是一种有效的方法，实现材料轻量化的同时，利用孔隙坍塌耗能增加材料的内耗源，从而兼顾功能和结构双重属性。目前，高阻尼多孔NiTi基材料一般采用较为传统的粉末冶金方法获得，其孔隙不规则且难以控制，孔隙率越高，孔隙形貌越复杂，内部位错密度越高，孔隙阻尼越高。但不规则孔隙的存在可以看作一种缺陷，如孔隙的不规则形状容易引起局部的应力集中，从而引发一系列微裂纹等缺陷的出现，力学性能显著下降。对于多孔NiTi记忆合金高阻尼材料，阻尼性能和力学性能是相互矛盾的，提高阻尼性能往往意味着牺牲力学性能和超弹性。目前解决办法采用新型制备方法(压力熔渗、3D打印等)引入规则孔隙来减少应力集中和可能的微缺陷，同时增加更多细小的强化第二相。然而，3D打印方法成本较高、工艺复杂、微观结构不容易控制。压力熔渗法成本较低，孔隙结构容易控制，但第二相微观结构难以控制。
[0004]中国专利技术专利CN201610436782.2公开了宽温域轻质高强高韧NiTi形状记忆合金复合阻尼材料及其制备方法与应用，该技术制备的材料具有高的强度、高的韧性、高的阻尼性能、宽的使用温度；但是该技术采用了粉末烧结的方式制备NiTi形状记忆合金复合阻尼
材料，存在如下问题：1)粉末烧结形成的不规则孔隙容易带来应力集中的问题，在该专利技术中，孔隙主要来源于碳酸氢铵或者尿素造孔剂带来的孔隙以及压制生坯中金属粉末的孔隙，孔隙的形状是不规则的，尖角处容易产生微裂纹，材料易提前效；2)在没有造孔剂的条件下，孔隙率和孔尺寸难以准确调控，复合材料的孔隙率来自于生坯金属粉末间存在的孔隙，孔隙率和孔尺寸仅通过生坯压制力难以精确调控；3)微观结构难以控制，难以改变某个或者几个参数调控第二相的尺寸大小及分布，原位生成的Ti2Ni第二相的尺寸大小为2～6um，这与烧结温度、烧结时间、粉末的尺寸以及粉末颗粒的均匀性等多个因素有关；4)该技术制备时间较长，能耗较高。

技术实现思路

[0005]本专利技术为克服目前高阻尼NiTi基形状记忆合金由于高温阻尼性能差、比强度差、密度较高等关键问题，提供一种具有宽温域轻质NiTiSi形状记忆合金阻尼材料及制备方法。
[0006]本专利技术将利用电弧熔炼方法在NiTi中引入细小共晶Ti5Si3相，确保强度的同时提供大量相界面，接着利用压力熔渗将熔炼的合金铸锭渗入陶瓷空心球间隙，所形成的孔隙壁能通过弯曲和变形进行能量耗散。该复合材料在NiTi基体中增加大量界面，分别是NiTi/Ti5Si3相界面和陶瓷空心球的孔隙界面，使其在高温下也能保持较高的强度且展现出极高的奥氏体本征阻尼。
[0007]本专利技术可以通过以下技术方案实现：
[0008]一种宽温域轻质NiTiSi形状记忆合金阻尼材料，由预处理后的陶瓷空心球造孔剂、多孔板和Ti
50+(1/3)x
Ni
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(4/3)x
Si
x
母合金铸锭从下至上依次放入置于立式管式炉柱状容器中，经过真空处理后，进行加热保温加压过程，使母合金铸锭熔化进入堆垛的空心球造孔剂间隙中，冷却至室温所得；所述的Ti
50+(1/3)x
Ni
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(4/3)x
Si
x
母合金铸锭由预处理后的硅粒、镍粒和海绵钛置于真空熔炼炉中多次熔炼所得；空心球造孔剂的直径为200～1000um；x为原子百分比，x取6～10。为
[0009]进一步实现本专利技术目的，优选地，所述的陶瓷空心球造孔剂为氧化铝或氧化锆空心球，陶瓷空心球造孔剂的预处理是在热处理炉高温处理，预处理温度为900～1100℃，预处理时间2～4h。
[0010]优选地，预处理后的陶瓷空心球造孔剂用标准筛筛分所得，标准筛为18～60目的筛，陶瓷空心球的壁厚为25～35um，直径为300～500um、500～700um或700～1000um。
[0011]优选地，分别以ml和g作为提及和质量单位，所述的处理后的陶瓷空心球造孔剂和Ti
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Si
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母合金铸锭的堆垛体积和质量比为1：2.5～3.5；多孔板的直径比刚玉坩埚小1～3mm，厚度为2～4mm，材料为堇青石。
[0012]优选地，所述的真空处理的真空为(1～8)
×
10
‑3Pa，所述的加热保温是以3～10℃/min升温至1250～1350℃之间，保温时间为30～60min；所述的容器为空心圆柱状的刚玉坩埚。
[0013]优选地，所述的加压的方式为充入氩气，气压为0.05～0.2MPa，保压时间15～30min；所述的冷却方式为随炉冷或者空冷，其中空冷是将熔渗使用的管式炉移出加热区域，在室温环境中自然冷却或者风冷。
[0014]优选地，所述的硅粒、镍粒和海绵钛的预处理是对硅粒、镍粒和海绵钛进行打磨、清洗和干燥；打磨的方式采用180#、400#、600#砂纸依次打磨原材料表面，清洗的方式为95％酒精溶液在25℃的温度下超声清洗10～20min；干燥的方式为在干本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽温域轻质NiTiSi形状记忆合金阻尼材料，其特征在于：其由预处理后的陶瓷空心球造孔剂、多孔板和Ti
50+(1/3)x
Ni
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Si
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母合金铸锭从下至上依次放入置于立式管式炉柱状容器中，经过真空处理后，进行加热保温加压过程，使母合金铸锭熔化进入堆垛的空心球造孔剂间隙中，冷却至室温所得；所述的Ti
50+(1/3)x
Ni
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(4/3)x
Si
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母合金铸锭由预处理后的硅粒、镍粒和海绵钛置于真空熔炼炉中多次熔炼所得；空心球造孔剂的直径为200～1000um；x为原子百分比，x取6～10。2.根据权利要求1所述的宽温域轻质NiTiSi形状记忆合金阻尼材料，其特征在于，所述的陶瓷空心球造孔剂为氧化铝或氧化锆空心球，陶瓷空心球造孔剂的预处理是在热处理炉高温处理，预处理温度为900～1100℃，预处理时间2～4h。3.根据权利要求2所述的宽温域轻质NiTiSi形状记忆合金阻尼材料，其特征在于，预处理后的陶瓷空心球造孔剂用标准筛筛分所得，标准筛为18～60目的筛，陶瓷空心球的壁厚为25～35um，直径为300～500um、500～700um或700～1000um。4.根据权利要求1所述的宽温域轻质NiTiSi形状记忆合金阻尼材料，其特征在于，分别以ml和g作为提及和质量单位，所述的处理后的陶瓷空心球造孔剂和Ti
50+(1/3)x
Ni
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(4/3)x
Si
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母合金铸锭的堆垛体积和质量比为1：2.5～3.5；多孔板的直径比刚玉坩埚小1～3mm，厚度为2～4mm，材料为堇青石。5.根据权利要求1所述的宽温域轻质NiTiSi形状记忆合金阻尼材料，其特征在于，所述的真空处理的真空为(1～8)
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‑3Pa，所述的加热保温是以3～10℃/min升温至1250～1350℃之间，保温时间为30～60min；所述的容器为空心圆柱状的刚玉坩埚。6.根据权利要求1所述的宽温域轻质NiTiSi形状记忆合金阻尼材料，其特征在于，所述的加压的方式为充入氩气，气压为0.05～0.2MPa，保压时间15～30min；...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁斌，毕子珺，高岩，朱敏，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：